Trasferimento di calore attraverso unità di vetro isolante sottoposte a carichi climatici

Data: 30 gennaio 2023

Autore: Zbigniew Respondek

Fonte:Materiali2020, 13(2), 286

https://doi.org/10.3390/ma13020286

(Questo articolo fa parte del numero speciale Energia nelle costruzioni e nei materiali da costruzione)

Uno degli elementi strutturali utilizzati nella costruzione delle vetrate isolanti (IGU) sono gli spazi stretti riempiti di gas, il cui scopo è quello di migliorare le proprietà termiche delle vetrate negli edifici. Cambiamenti naturali dei parametri meteorologici: la pressione atmosferica, la temperatura e il vento influenzano le variazioni della pressione del gas nelle fessure e, di conseguenza, i carichi e le deflessioni risultanti delle lastre di vetro che compongono un'unità. In condizioni di bassa temperatura e quando la pressione atmosferica aumenta, le lastre di vetro che le compongono possono avere una forma concava di deflessione, per cui lo spessore degli spazi vuoti in tale vetratura caricata può essere inferiore al suo spessore nominale.

L'articolo analizza l'effetto della riduzione di questo spessore in condizioni invernali sulla perdita di calore di progetto attraverso le vetrate isolanti. A questo scopo sono state determinate le deflessioni del vetro nelle unità campione e su questa base è stato stimato lo spessore delle fessure in condizioni operative. Successivamente sono state confrontate la trasmittanza termica e la densità del flusso di calore determinate per interstizi di spessore nominale e di spessore ridotto sotto carico. È stato dimostrato che tenere conto dell’influenza dei carichi climatici può, in determinate condizioni, comportare un aumento della perdita di calore calcolata attraverso le IGU. Ciò accade quando le intercapedini non trasferiscono il calore per convezione, cioè in un intervallo lineare di variazioni della trasmittanza termica.

Ad esempio, per le vetrate isolanti attualmente prodotte in condizioni di "inverno mite", le perdite di calore calcolate possono aumentare fino al 5%, mentre per le vetrate isolanti con doppi vetri con spazi di 10-14 mm questo rapporto è di circa il 4,6%. In altri casi – ad esempio, grandi spessori degli spazi vuoti in un'unità, grande riduzione della temperatura esterna – negli spazi vuoti appare la convenzione. Riducendo poi lo spessore delle fughe non si peggiora l'isolamento termico del vetro. Questo effetto dovrebbe essere preso in considerazione quando si progettano le IGU. Si è inoltre riscontrato che il carico del vento non influisce in modo significativo sullo spessore degli interstizi.

Generalmente utilizzate in edilizia come riempimento di finestre o facciate vetrate, le vetrate isolanti (IGU) sono costituite da due o più lastre di vetro componenti, collegate ai bordi con un distanziatore di vetro. Lo spazio tra i vetri dei componenti forma uno spazio stretto riempito di gas. Per migliorare le prestazioni termiche della partizione dell'edificio costruita in questo modo, l'intercapedine viene riempita con gas con conduttività termica inferiore a quella dell'aria, molto spesso argon. Un ulteriore miglioramento delle prestazioni si ottiene mediante l'uso di lastre di vetro con rivestimento a bassa emissività: tale rivestimento deve essere posizionato sul lato dell'intercapedine perché si corrode rapidamente se esposto alle condizioni atmosferiche. La tenuta dell'intercapedine nelle vetrate isolanti è quindi un fattore necessario per mantenere un buon isolamento termico delle vetrate trasparenti [1,2].

Gli stretti divari, tuttavia, determinano alcune proprietà specifiche delle IGU nel contesto del trasferimento dei carichi ambientali e della associata deformazione degli elementi strutturali. L'intercapedine viene riempita di gas nel processo di produzione dell'unità, pertanto il gas nell'intercapedine ha alcuni parametri iniziali di pressione, temperatura e volume. In condizioni operative, una vetrata isolante è esposta a carichi climatici che generano carichi e deflessioni delle lastre di vetro che la compongono a causa della differenza di pressione tra l'intercapedine e l'ambiente. Ad esempio, un aumento della pressione atmosferica o una diminuzione della temperatura del gas nell'intercapedine determinano una forma concava della deflessione dei vetri (Figura 1a) e le variazioni opposte di questi parametri in una forma convessa (Figura 1b). L'entità della sotto o sovrapressione nell'intercapedine dipende non solo dal valore dei carichi climatici, ma anche dalla struttura dell'IGU. In generale, aumenta con dimensioni ridotte della IGU (larghezza x lunghezza), aumento dello spessore dell'intercapedine del gas e aumento dello spessore delle lastre di vetro che la compongono. Il modo in cui la differenza di pressione influisce sulle deflessioni nell'IGU verrà presentato più avanti in questo articolo.